Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo chiều theo nguyên tăc điều khiểnUdm=110 V;Iđm=15 A;Ukích từ=110V;Ikích từ=1,2A;Phạm vi điêu chỉnh101

Đồ án điện tử công suất
đồ án điện tử công suất
đề tài:
Thiết kế nguồn cấp điện cho động cơ điện một chiều kích từ đoc lập có đảo
chiều theo nguyên tăc điều khiển riêng.Mạch đảm bảo tốc độ trơn và có khâu bảo vệ
chống mất kích từ

Với số liệu
Udm=110 V
Iđm=15 A
Ukích từ=110V
Ikích từ=1,2A
Phạm vi điêu chỉnh 10:1
NHIÊM Vụ :
1) Tìm hiểu về công nghệ và yêu cầu kỹ thuật của thiết bị cần thiết kế.
2) Đề xuất các phơng án tổng thể,phân tích u,nhợc điểm của từng phơng án để đi
đến lựa chon một phơng án phù hợp thoả mãn các yêu cầu kỹ thuật.
3) Xây dựng chi tiết toàn bộ sơ đò nguyên lý mạch thiết kế (cả mạch lực và
mạch điều khiển),sau đó thuyết minh sự hoạt động của sơ đồ này với đồ thị
minh hoạ.
4) Tính toán mạch lực.
5) Tính toán mạch điều khiển.
6) Lập bảng trị số toàn bộ các phần tử và linh kiện tính toán đợc trong phần 4 và
5.
7) Kiểm chứng bằng chạy mô phỏng trên máy tính PC.
8) Kết luận.
9) Tài liệu tham khảo.
Trang
1

Đồ án điện tử công suất

CHƯƠNG I
Tìm hiểu về động cơ điện một chiều kích từ độc lập
I.
1) Giới thiệu chung về động cơ điện một chiều
Ngày nay,động cơ điện một chiều vẫn đợc coi là một loại máy điện quan
trọng mặc dù máy điện xoay chiều rát thông dụng do động cơ điện một chiều vẫn
có những u điểm nh khả năng điều chinh tốc độ rát tốt.Nó đợc dùngtrong những
ngành đòi hỏi yêu cầu cao về mặt điều chinh tốc độ nh máy cán thép,bào hầm
mỏ,giao thông vận tải.
Mặt dù có một số nhợc điểm so vói máy điện xoay chiều nh giá thành cao,bảo
quản cổ góp phức tạp (dễ sinh tia lửa điện) nhng do những u điểm của nó mà nó vẫn
có tầm quan trọng nhát định trong nền sản xuất.

2) Cấu tạo
Động cơ điện một chiều có hai phần chính
Phần tĩnh và phần động
2.1)Phần tĩnh (stato).
Phần Stato là bộ phận đứng yên của máy nó bao gồm cục từ chính,cc từ
phụ (là bộ phận sinh ra từ trờng hay nó là phần cảm).
a)Cực từ chính
Là bộ phận sinh ra từ trờng,gồm có lõi sắt cực từ và dây quán kích từ
lồng ngoài lõi sắt cực từ.Lõi thép cực từ làm bằng lõi thép kỹ thuật điện mỏng ,các
cuộn kích từ đợc quấn bằng dây đồng boc cách điện và tẩm sơn cách điện trớc khi
đặt lên cực từ các cuộn kích từ này đợc nối tiếp với nhau.
b) Cực từ phụ.
Cực từ phụ đợc đặt giữa các cực từ chính và dùng để cảI thiện đổi
chiều.Lõi thép thờng làm bằng thép khối và trên thân cực từ phụ có đặt day quấn mà
cấu tạo giống nh dây quấn cực từ chính
c)Gông từ
Gông từ dùng để làm mạch từ nối liền các cực từ đồng thời làm vỏ máy.

d) Nắp máy
Bảo vệ máy khỏi bị những vật bên ngoài rơI vào làm h hỏng dây quấn và
an toàn cho ngời vận hành.Trong động cơ điện nó đợc làm giá đỡ ổ bi
+Cơ cấu chổi than : Để đa dòng điện từ phàn quay ra ngoài.Cơ cấu chổi
than gồm có một chổi than đặt trong hộp chổi than đợc cố định trên giá chổi than và
cách điện với giá,giá chổi than có thể quay đợc để điều chỉnh vị trí chổi than cho
đúng chỗ.
2.2) Phần quay hay Roto (phần ứng)
Bao gồm những bộ phận chính sau :
a)Lõi sắt phần ứng
Dùng để dẫn từ. Thờng dùng những tấm thép kỹ thuậtdày 0,5mm phủ cách
điện mỏng ở hai mặt rồi ép chặt lại để giảm tổn hao do dòng
Trang
2

Đồ án điện tử công suất
điện xoáy gây nên. Trên lá thép có dập hình dạng rãnh để sau khi ép lại thì dặt dây
quấn vào.
Trong những động cơ trung bình trở lên ngời ta còn dập những lỗ thông gió để
khi ép lạ thành lõi sắt có thể tạo đợc những lỗ thông gió dọc trục.
Trong những động cơ điện lớn hơn thì lõi sắt thờng chia thành những đoạn nhỏ,
giữa những đoạn ấy có để một khe hở gọi là khe hở thông gió. Khi máy làm việc gió
thổi qua các khe hở làm nguội dây quấn và lõi sắt.
Trong động cơ điện một chiều nhỏ, lõi sắt phần ứng đợc ép trực tiếp vào trục.
Trong động cơ điện lớn, giữa trục và lõi sắt có đặt giá rôto. Dùng giá rôto có thể tiết
kiệm thép kỹ thuật điện và giảm nhẹ trọng lợng rôto.
b) Dây quấn phần ứng.
Dây quấn phần ứng là phần phát sinh ra suất điện động và có dòng điện chạy
qua. Dây quấn phần ứng thờng làm bằng dây đồng có bọc cách điện. Trong máy
điện nhỏ có công suất dới vài kw thờng dùng dây có tiết diện tròn. Trong máy điện

vừa và lớn thờng dùng dây tiết diện chữ nhật. Dây quấn đợc cách điện cẩn thận với
rãnh của lõi thép.
c) Cổ góp :
Dùng để đổi chiều dòng điẹn xoay chiều thành một chiều. Cổ góp gồm nhiều phiến
đồng có đợc mạ cách điện với nhau bằng lớp mica dày từ 0,4 đến 1,2mm và hợp
thành một hình trục tròn. Hai đầu trục tròn dùng hai hình ốp hình chữ V ép chặt lại.
Giữa vành ốp và trụ tròn cũng cách điện bằng mica. Đuôi vành góp có cao lên một ít
để hàn các đầu dây của các phần tử dây quấn và các phiến góp đợc dễ dàng.
d) Các bộ phận khác.
- Cánh quạt : dùng để quạt gió làm nguội máy. Máy điện một chiều thờng chế tạo
theo kiểu bảo vệ. ở hai đầu nắp máy có lỗ thông gió. Cánh quạt lắp trên trục máy ,
khi động cơ quay cánh quạt hút gió từ ngoài vào động cơ. Gió đi qua vành góp, cực
từ lõi sắt và dây quấn rồi qua quạt gió ra ngoài làm nguội máy.
- Trục máy : trên đó đặt lõi sắt phần ứng, cổ góp, cánh quạt và ổ bi. Trục máy th-
ờng làm bằng thép cacbon tốt.
3) Phân loại máy điện
Động cơ điện một chiều phân loại theo cách kích thích từ thành động cơ điện kích
hích độc lập, động cơ điện kích thích song song ,kích thích nối tiếp,kích thích hỗn
hợp
Trên thực tế đặc tính của động cơ kích từ độc lập và kích thích song song là giống
nhau nên khi cần công suất lớn ngời ta thờng dùng động cơ kích từ độc lập để có thể
điều chỉnh dòng điện kích thích đợc thuận tiện do đó mà điều chỉnh tốc độ dễ dàng
và kinh tế hơn mặc dù nó đòi hỏi có dòng bên ngoài.
Trong đồ án này ta xét đến động cơ điện một chiều kích từ độc lập
Trang
3

Đồ án điện tử công suất
Sơ đồ

Khi mà nguồn một chiều có công suất không quá lớn thì mạch phần ứng và mạch
từ mắc vào hai nguồn một chiều độc lập nhau nên gọi là động cơ điện một chiều
kích từ độc lập
4) Nguyên lý làm việc động cơ điện một chiều
Khi cho điện áp U vào hai chổi than A,B trong dây quấn phần ứng sinh ra dòng
điện I .Các thanh dẫn ab,cd có dòng điện nằm trong từ trờng sẽ chịu tác dụng của
lực F
đt
tác dụng làm cho Roto quay ,khi phần ứng quay nửa vòng thì vị trí các thanh
dẫn ab,cd đổi chỗ cho nhau do đó các phiến góp đổi chiều dòng điện giữ cho chiều
tác dụng không đổi đảm bảo động cơ có chiều quay không đổi,khi động cơ quay các
thanh dẫn cắt từ trờng sẽ cảm ứng sức điện động E ,chiều quay xác định theo quy
tắc bàn tay trái
Phơng trình phần ứng

U =E +R.I
II.) Điều chỉnh tốc độ động cơ và đảo chiều
1)
Phơng trình đặc tính cơ
U = E +(R +R
f
)I

U :điện áp phần ứng
E :suất điện động phần ứng
R ,R
f
:điện trở phần ứng,điện trở phụ trong mạch
phần ứng
I

:dòng điện mạch phần ứng
R =r +r
ct
+r
b
+r
tc
r :điện trở cuộn dây phần ứng
r
ct :
điện trỏ cực từ phụ
r
b
:điện trở cuộn bù
Trang
4

E
I
R
f
U

I
kt
R
kt
U

CKT
U
kt
E
I
R
f
U

I
kt
R
kt
U

CKT
U
kt
Đồ án điện tử công suất
r
tx
:điện trở tiếp xúc chổi điện
E =


.2
.
K
a
NP

=


a
NP
K
2
.

=
P : số cực từ chính
N :số đôI mạch nhánh song song của cuộn dây phần ứng

: từ thông kích từ dới một cực từ W
b

: tốc độ góc (Rad/s)
E = K
e
.
n.

u
fuufu
u
I
K
RR
K
U

K
IRRU
K
E


)(
.
).(
.
+
=
+
==
Mômen điện từ M
đt
=K.

.I
Suy ra I =

.K
M
dt
Nếu bỏ qua tổn thất coi mômen điện từ bằng mômen cơ đầu trục
M
đt
=M
cơ
=M

M
K
RR
K
U
fu
u
.
).(
.
2



+
=
(1)
Mômen phụ thuộc vào từ thông và dòng phần ứng
Từ phơng trình (1) suy ra : để thay đổi tốc độ động cơ ta có thể dùng phơng pháp
thay đổi điện áp phần ứng U ,từ thông

tức là thay đổi dòng kích từ I
kt
và thay đổi
điện trở phần ứng R ,R
f

M =K.

.I .do đó muốn đảo chiều động cơ tức là đảo chiều mômen M ta có thể

dùng phơng pháp đảo chiều từ thông (tức là đảo chiều dòng kích từ I
kt
) hoặc là đảo
chiều dòng điện phần ứng I

2) Các phơng pháp thay đổi tốc độ
a) Phơng pháp thay đổi từ thông

,thay đổi dòng kích từ I
kt
.Với một phụ tải M
c

nhất định .Khi

giảm tốc độ động cơ tăng lên

Khi kích thích dòng khác nhau đặc tính cơ nhận đợc khác nhau và độ dốc
khác nhau.Giao điểm mômen cản M =f(I) với các đờng trên cho biết tốc độ xác lập
ứng với thông số khác nhau của từ thông .
Trang
5

n
M(I
u
)
I
u
dm

nodm
Đồ án điện tử công suất
b) Thay đổi điện áp phần ứng
-Để điều chỉnh điện áp phần ứng đông cơ điện một chiều cần có thiết bị nguồn
nh máy phát điện một chiều kích từ độc lập , các bộ chỉnh lu điều khiển các thiết
bị này có chức năng biến đổi lợng xoay chiều thành một chiều có suất điện động
E
b
điều chỉnh đợc là nhờ tín hiệu U
đk

-Phơng trình đặc tính cơ của hệ thống nh sau:

u
dm
bud
dm
b
I
K
RR
K
E
.

+


=

vì từ thông của động cơ đợc giữ không đổi nên độ cứng của đặc tính cơ cũng
không thay đổi còn tốc độ không tải lý tởng tuỳ thuộc vào giá trị điện áp U
đk

của hệ thống do đó có thể nói phơng pháp điều chỉnh này là triệt để
Để xác định dải điều chỉnh tốc độ ta thấy rằng tốc độ lớn nhất của hệ thống bị
chặn bởi đặc tính cơ bản là đặc tính ứng với điện áp định mức và từ thông
cũng giữ ở giá trị định mức. Tốc độ nhỏ nhất của dải điều chỉnh bị giới hạn
bởi yêu cầu về sai số tốc độ và mômen khởi động , khi mômen tải là định
mức thì giá trị lớn nhất va nhỏ nhất của tốc độ là:



dm
M
=
max0max



dm
M
=
min0min
Để thoả mãn khả năng quá tải thì đặc tính thấp nhất của dải điều chỉnh phải có
mômen ngắn mạch là:
M
nmmin
= M

cmax
= K
M
.M
đm
Trong đó : K
M
: hệ số quá tải về mômen, do họ đặc tính cơ là những đờng thẳng
song song với nhau nên theo định nghĩa về độ cứng đặc tính cơ ta có thể viết:

( ) ( )
( )
1
1
1
1
1
max0
max0
minmin


=


=
==
M
dm
dm

M
dm
M
dm
dmnm
K
M
M
K
M
D
K
M
MM






* Phạm vi điều chỉnh phụ thuộc tuyến tính vào
Trang
6

BBĐ
LK
Đồ án điện tử công suất
3) Vấn đề đảo chiều
Chiều quay động cơ phụ thuộc vào chiều quay mômen có thể dùng hai phơng
pháp .Hoặc thay đổi chiều dòng phần ứng I hoặc đổi chiều từ thông (đổi chiều dòng

kích từ I
kt
).
+ Nếu dùng phơng pháp đảo chiều dòng kích từ .Khi máy đang quay thì do hệ số
điện cảm của cuộn dây kích thích lớn (do có nhiều vòng dây) nên khi thay đổi
dòng kích thích I
kt
thì xuất hiện suát điện động cảm ứng rất cao gây ra điện áp làm
đánh thủng cách điện dây quấn kích thích .
Do đó để đảo chiều quay động cơ ta chon phơng pháp đảo chiều dòng phần ứng I
Từ những phân tích trên ta chon phơng pháp thay đổi tốc độ là thay đổi điện áp phần
ứng U (tức là điều khiển U ) và đảo chiều quay bằng đảo chiều dòng phần ứng I
4) Một số yêu cầu kỹ thuật khác
a) Độ trơn

i
i



1+
=

Trong đó
1
,
+ii

là tốc độ ổn định của động cơ đạt đợc ở cấp i ,i+1

1
tức là hệ truyền động có thể ổn định ở mọi vị trí trong toàn dảI điều
chỉnh
b) Dải điều chỉnh tốc độ
Là phạm vi điều chỉnh là tỉ số giá trị lớn nhất và giá trị nhỏ nhất của tốc độ
làm việc ứng với mômen tảI đã cho

min
max


=D

max

bị hạn chế bởi độ bền động cơ và độ bền của vành góp

min

bị chặn bởi yêu cầu về mômen khởi động ,khả năng quá tải và sai số tốc
độ làm việc cho phép.
Trang
7


min

0min

max

omax
M
đm
M
nmmin

đk1

đk2
Đồ án điện tử công suất
c) Chống mất kích từ
Khi mở máy phảI đảm bảo chống mất kích từ mà nguyên nhân là do ngắn mạch
kích thích
Vì khi đó E =0 nên I =
uu
u
R
U
R
EU
=


U không đổi ,R rất nhỏ (điện trở cuộn dây phần ứng) nên I rất lớn làm cháy dây
quấn và vành góp
+ cách khắc phục điều này là phảI có bộ phận nhận biết đợc mất kích từ
(
0=

và do đó I =0) thì lập tức ngắt nguồn cấp cho phần ứng tức U =0. Khi đó I
không lớn và tránh đợc sự cố trên.

Trang
8

Đồ án điện tử công suất
CHƯƠNG II
Mạch lực
I).Lựa chọn phơng án mạch lực
Từ yêu cầu bài toán:
U
dm
= 110V I
dm
= 15A
U
kt
= 110V I
kt
= 1,2A
Công suất định mức của động cơ điện 1 chiều
S
dm
= U
dm
I
dm
= 110.15 = 1650W là nhỏ

Công suất kích từ :
S
dmkt
= U
kt
.I
kt
=110.1,2 = 132W
Vì Sdm và Sdmkt nhỏ nên ta chọn mạch lực là mạch chỉnh lu 1 pha.
Ta có các phơng án đa ra cho mạch lực :
_ Chỉnh lu một nửa chu kỳ
_ Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính
_ Chỉnh lu một pha .
1.) Chỉnh lu một nửa chu kỳ .
Ud
o
Với sơ đồ này sóng điện áp ra một chiều bị gián đoạn trong một nửa chu kỳ khi
điện áp anốt của van bán dẫn âm , do đó khi sử dụng sơ đồ chỉnh lu một nửa chu kỳ
chất lợng điện áp tải xấu .
Điện áp tải trung bình lớn nhất trên tải
U
do
= 0,45U2
Vì chất lợng điện áp xấu nên hiệu suất của máy biến áp cũng thấp .
S
ba
= 3,09.U
d
.I
d

+Ưu điểm
_ Là loại chỉnh lu có nguyên lý đơn giản ít van
+Nhợc điểm
_Chất lợng điện áp xấu
_Hiệu suất sử dụng máy biến áp thấp
Trang
9

0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
U2
R
L
T
U1
Đồ án điện tử công suất
2.)Chỉnh lu cả chu kỳ với biến áp có trung tính

T2
U1

0
0
1
1
2
2
3
3
4
4
5
5
R
U2
U2
T1
L

(dạng dòng ,áp trên tải và điện áp ngợc trên van T
1
trong trờng hợp tải thuần trở và
tải điện cảm lớn)
Xét với tải RL , điện cảm lớn để lọc dòng và áp có chất lợng tốt
_Biến áp phải có hai cuộn dây thứ cấp với thông số giống hệt nhau, ở mỗi nửa chu
kỳ có một van dẫn cho dòng chảy qua
Trang
10

i
T1

I
d
o
a
i
d
Ud
2?
I
d
i
T1
U
d
o
2?
I
d
Đồ án điện tử công suất
_Khi = cho phát xung mở T
1
, T
1
dẫn do điện áp đầu anot dơng và có xung
mở .Khi = , điện áp trên anot = 0 nhng do có cuộn cảm L nên vẫn còn dòng điện
I
d
nên T
1
cha khoá , T

1
tiếp tục dẫn cho đến khi = + , phát xung mở T
2
thì T
1
bị
khoá và T
2
dẫn . T
1
khoá không phải dòng đã về 0 mà là do T
2
dẫn .
T
2
lại dẫn cho đến khi = 2 + , T
1
đợc phát xung mở , T
1
dẫn và T
2
bị khoá
lại.
Quá trình cứ nh vậy cho đến khi điện áp tải đập mạch có tần số bằng 2 lần tần
số điện áp xoay chiều .
(Dạng điện áp tải , dòng trên các van T
1
,T
2
và điện áp ngợc trên van T

1
đợc vẽ
trên hình ).
Với : là góc điều khiển mở .
+ Điện áp trung bình trên tải
U
d
=

2
2

+


.2
U
2
.sind =

22
.U
2
.cos = U
do
.cos
U
do
=

22
.U
2
= 0,9.U
2
:
Điện áp chỉnh lu không điều khiển khi tải là thuần trở .
+ Điện áp ngợc trên van là lớn
U
nv
= 2
2
U
2

Tải có điện cảm lớn nên dòng tải liên tục i
d
= I
d

Mỗi van dẫn thông một nửa chu kỳ
+ Dòng hiệu dụng qua van (chính là dòng hiệu dụng qua máy biến áp).
I
hd
=




2

0
2
.
2
1
dI
d
=
2
Id
= 0,71.I
d

+ Hệ số đập mạch K
đm
= 0,67.
+ Công suất máy biến áp S
ba
= 1,48.U
d
I
d

Nhận xét :
+ Ưu điểm :
_ So với chỉnh lu một nửa chu kỳ thì chỉnh lu hình tia có điện áp với chất
lợng tốt hơn
_ Dòng qua van không quá lớn
_ Điều khiển van đơn giản
+ Nhợc điểm

_ Chế tạo máy biến áp phải có 2 cuộn giống nhau mỗi cuộn làm việc
1nửa chu kỳ
_ Chế tạo biến áp phức tạp
_ Hiệu suất sử dụng biến áp xấu hơn
_ Điện áp ngợc trên van là lớn .
3.) Chỉnh lu cầu một pha
Trang
11

Đồ án điện tử công suất

Xét với tải RL , điện cảm L đủ lớn để lọc dòng , áp , dòng là liên tục.
_ Mạch có T
1
, T
3
chung Katot
T
2
, T
4
chung Anot
Nửa chu kỳ đầu U
2
> 0 , Anot của T
1
dơng , Katot của T
2
âm . Nếu có xung
điều khiển mở đồng thời T

1
và T
2
thì cả hai van này đợc mở thông và đặt điện
áp lới lên tải U
d
= U
2
. Điện áp tải một chiều bằng điện áp xoay chiều (U
d

= U
2
) cho đến khi nào T
1
, T
2
còn dẫn .(Khoảng dẫn của các van phụ thuộc
vào tải ) .
Nửa chu kỳ sau, điện áp đổi dấu , anot của T
3
dơng và katot T
4
âm , nếu có
xung điều khiển mở đồng thời T
3
,T
4
thì các van này đợc mở thông và U
d

= -
U
2
, với điện áp một chiều có cùng chiều với nửa chu kỳ trớc
Trang
12

i
2
I
d
U
T1
o
i
T3T4
I
d
2?
i
T1T2
I
d
o
a
i
d
Ud
I
d

2?
Đồ án điện tử công suất
(Các đặc tính điện áp tải , dòng qua tải , dòng qua van và điện áp ngợc trên
van đợc biểu diễn trên hình vẽ).
+ Giá trị trung bình của tải
U
d
=

+




dU .sin.2
2
2
2
=

cos.
2
22
2
U
= U
do
cos.
U
do

: điện áp trung bình tải trong chỉnh lu cầu không điều khiển .
+ Dòng qua máy biến áp cũng bằng dòng qua van (khi van mở) .
+ Giá trị hiệu dụng dòng thứ cấp biến áp
I
2
=

+




2
2
2
d
I
= I
d

+ Điện áp ngợc lớn nhất van phải chịu
U
nv
=
2
U
2

+ Dòng làm việc của van tính theo giá trị trung bình
I

T
=

+




2
2
1
d
I
=
2
Id
= 0.71 I
d
+ K
dm
= 0,67
+ Công suất biến áp S
ba
= 1,23P
d
* Nhận xét :
Chất lợng điện áp của chỉnh lu cầu một pha giống nh chỉnh lu hình tia . Hình
dạng đờng cong điện áp , dòng tải , dòng qua van bán dẫn , hệ số đập mạch nh trong
chỉnh lu hình tia .
+ Ưu điểm :

_ Điện áp ngợc trên van nhỏ hơn một nửa so với chỉnh lu hình tia U
nv
=
2
U
2
.
_ Máy biến áp chế tao đơn giản hơn , và có hiệu suất cao hơn so với chỉnh l-
u hình tia .
+ Nhợc điểm :
_ Số van nhiều hơn
_ Điều khiển van T
1
,T
2
và nhóm T
3
, T
4
phải đồng thời nên khó khăn hơn.
* Nhận xét chung
Từ các phân tích trên ta lựa chọn mạch lực là mạch chỉnh lu điều khiển cầu
một pha.
II. Phân tích mạch lực.
1. Mạch lực ta chọn là mạch chỉnh lu cầu một pha điều khiển đối xứng 4 góc
phần t.
Tải ta coi là RLE , cuộn cảm L đợc thêm vào để lọc điện áp và dòng .

Trang
13

§å ¸n ®iÖn tö c«ng suÊt

θ = α ph¸t xung më T
1
, T
2

T
1
T
2
dÉn T
3
, T
4
kho¸
U
d
= U
2

θ = Π + α ph¸t xung më T
3
, T
4

T
1
, T

2
kho¸ ; T
3
, T
4
dÉn (më)
U
d
= - U
2

Trang
14

i
2
I
d
i
T1T2
I
d
2?
o
a
i
d
Ud
I
d

Đồ án điện tử công suất
+ Điện áp trung bình tải
U
d
=

22
U
2
cos
+ Điện áp ngợc lớn nhất trên van
U
nv
=
2
.2 U

+Dòng liên tục nên i
d
=I
d

Phơng trình mạch tải

.2
2
U
sin

=R.i

d
+X
L
.
dt
di
+E


++++

+

+

=










d
E
diXiRdU
dLd

.
1
.
1
.sin2
1
2
U
d
=RI
d
+E
+Dòng hiệu dụng thứ cấp máy biến áp
I
2
=
dd
IdI =


+



2
1
2) Trùng dẫn
i
T3
i

T1
I
d
o
i
d
Ud
2?
Trong máy biến áp có cuộn dây nên có điện cảm L
a

Giả sử T
1
,T
2
đang mở cho dòng chảy qua i
T1,
i
T2
=I
d

Khi

+=
phát xung mở T
3
,T
4

Trang
15

Đồ án điện tử công suất
Vì có L
a
nên dòng i
T1
,i
T2
không giảm đột ngột về 0 mà dòng i
T3
,i
T4
cũng không
tăng đột ngột từ 0 đến I
d

Lúc này cả 4 van cùng mở thông cho dòng chảy qua ,phụ tải bị ngắn mạch u
d
=0
Nguồn e
2
bị ngắn mạch sinh ra dòng ngắn mạch i
c

Phơng trình

).(sin2
2 aa

a
a
LX
d
di
XU



==
i
c
=
))cos((cos
.2
)sin(
.2
2
0
2


+=+

cc
X
U
X
U
đặt i

c
=i
c1
+i
c2
,i
c1
=i
c2
=0,5.i
c

i
c1
:làm tăng dòng trong T
4
và làm giảm dòng trong T
2

i
c2
: làm tăng dòng trong T
3
và làm giảm dòng trong T
1


( )( )

+= coscos

.2
.2
2
4,3
c
T
X
U
i


( )( )

+= coscos
.2
.2
2
2,1
c
dT
X
U
Ii
Khi kết thúc giai đoạn trùng dẫn tức khi
,
à
=
thì i
T1,2
=0

( )
2
.2
2
coscos
U
IX
dc
=+
à
Ta thấy so với không trùng dẫn đặc tính điện áp sụt một phần và đó là sụt áp gây
ra do trùng dẫn
à
U

( )
( )( )
à

à
à
+

=
=+

=

coscos.
.2

sin 2
.2
2
2
0
2
U
dUU
Trang
16

Đồ án điện tử công suất

=
dc
IX
U
2
à
khi đó giá trị trung bình điện áp trên tải là
U
d

=U
d
-



=

dcdc
IX
U
IX 2
cos
2.2
2
2


U
d

=R.I
d
+E
3) Nghịch lu phụ thuộc
Trong đông cơ điện một chiều có sức phản điện động ,trong điều kiện nào đó nó có
thể làm việc ở chế độ nghịch lu - là chế độ biến đổi năng lợng dòng một chiều
phía tải

thành dòng điện xoay chiều cấp trở lại lới điện .chế độ làm việc nh vậy
chính là khi ta hãm tái sinh để tiết kiệm năng lợng .
Để sức điện động E phát năng lợng trở lại lới điện thì dòng và áp phải ngợc chiều
nhau U
d
và I
d
ngợc nhau

Do dòng điện chỉ chảy theo một chiều từ A đến K của thyristor nên ta điều chỉnh
sao cho
chiều dòng nh cũ
đảo chiều sức điện động E
d

ở trong chế độ chỉnh lu với góc mở là


thì U
d
=U
d0
.cos

.
nên nếu
0
2
<

>
d
U

tức là điện áp trên tải thay đổi cực tính và ngợc chiều van
Do đó đẻ duy trì dòng chảy qua van từ A đến K của van thì ta phải đảo chiều E
d
và
đảm bảo

d
UE >
vậy ở chế độ chỉnh lu ,dòng trong mạch đợc duy trì bởi
U
d
E >0 thì trong chế độ nghịch lu phụ thuộc dòng đợc duy trì bởi
0>
d
UE
Trong chế độ nghịch lu lới điện nhận năng lợng từ phía tải
Trang
17

Đồ án điện tử công suất
Điều kiện hoạt động chế độ nghịch lu phụ thuộc
-
2

>


- Đảo chiều E
d

- Đảm bảo
d
UE >
a
o
2?

à
Ud
Xét dạng điện áp trên van .
Trong mạch có điện cảm biến áp nên nó có quá trình trùng dẫn với góc trùng dẫn
à
xét T
1
,T
2
đang dẫn ,

=
phát xung mở T
3
,T
4
,U
A
> U
K
nên có dòng qua van và
T1,T
2
vẫn còn dẫn từ đó 4 van cùng dẫn trong khoảng
à
.Sau đó T1 ,T
2
khoá và
T
3

,T
4
mở
Điện áp ngợc trên van T1 ,T
2
U
nv
=
( )

22
sin 2 UU =
Điện áp ngợc chỉ xuất hiện trên van trong khoang từ
à
+=
đến
=

vì sau đó
điện áp trên T1 ,T
2
lại là thuận (U
A
> U
K
)
Trang
18

Đồ án điện tử công suất

Nh vậy trong một chu kỳ làm việc mỗi van chỉ chịu điện áp ngợc trong khoảng từ
à
+=
đến
=

tức là trong khoảng thời gian
)(
à
+=
,khoảng thời gian
này khá nhỏ .
Nếu
off
à
<+ )(
(ứng với thời gian phục hồi Thyristor)
,Thyristor sẽ tự mở trở lại không cần dòng điều khiển (mở tự nhiên )
Khi đó trong mạch cả hai nguồn cùng phát năng lợng khi đó I
d
rất lớn gây sự cố
sập nghịch lu .
Do đó để an toàn phải có
off
à
>+ )(

Chọn
o
off

10=

( ứng với t
off
=555
s
à
thì có thể khoá van Thyristor thông thờng )
)(
off
à
+<
Vậy góc mở

phải thoả mãn trong nghịch lu phụ thuộc là

)(
2
off
à
+<<

Trang
19

Đồ án điện tử công suất
CHƯƠNG III

Tính toán mạch lực
I ) TíNH CHọN van

+ điện áp ngợc lớn nhất mà van phải chịu
U
n max
= k
nv
.U
2
=k
nv
.
u
d
k
U
k
nv
:hệ số k
nv
=
2
k
u
:hệ số điện áp (mạch cầu 1 pha) k
u
=

22
U
d
=110 (điện áp trung bình trên tải)

U
n max
=
)(7,172110
2
22
110
.2 v=

=

điện áp ngợc van cần chọn
Chọn hệ số dự trữ điện áp k
dtu
=1,8
U
nv
=k
dtu
.U
n max
=1,8.172,7=310,86
Chọn U
nv
=311 (v)
+Dòng làm việc của van đợc tính theo dòng hiệu dụng
I
lv
=I
hd

=k
hd
.I
d
=
6,1015.
2
1
.
2
1
==
d
I
(A)
Dòng định mức van cần chọn
I
đm
=k
i
.I
lv

Hệ số dự trữ dòng điện k
i
.chọn van làm việc ở điều kiện có cánh tản nhiệt và
không cần dùng cần quạt đối lu thông gió chọn k
i
= 4
I

đm
=4.10,6 =42,4 (A)
+Từ hai thông số U
n max
và I
đm
ta chọn 4 van thyristor loại
ACR44U08LE với các thông số nh sau
Trang
20

Đồ án điện tử công suất
- điện áp ngợc van : U
n
=800 (V)
- dòng định mức van : I
đm
=44 (A)
- đỉnh xung dòng điện : I
pi k max
=550( A)
- dòng xung điều khiển : I
đk max
= 200(mA)
- điện áp xung điều khiển : U
đk max
=3 (V)
- dòng điện giữ : I
h max
=25 (mA)

- dòng điện dò :

I
r max
=10 (mA)
- độ sụt áp lớn nhất :
)(7,2
max
VU =
- tốc độ thay đổi điện áp :
)/(600 sV
dt
dU
=
- thời gian chuyển mạch : t
cm
= 6(
s
à
)
- nhiệt độ làm việc cho phép :T
max
=125
0
C
II) TíNH toán máy biến áp chỉnh lu
Chọn máy biến áp một pha làm mát bằng không khí tự nhiên
1) Do khi làm việc với máy biến áp ,có sụt áp trên đờng tải
- sụt áp trên điện trở và điện kháng máy biến áp
)(2,13220.06,0%.6

2
VUUUU
XVba
===+=
- sụt áp trên van lực
)(7,2 VU
V
=
- sụt áp do quá trình chuyển mạch
d
UU .1,0=
à
(theo kinh nghiệm )

à
UUUUUU
badnVdod
++++= .2
)(143
9,0
02,137,2.2110
1,01
.2
V
UUUU
U
badnvdo
d
=
+++

=

+++
=
Công suất biểu kiến máy biến áp
P
d
=U
d
.I
d
=143.15 =2145 (W)
Suy ra S
ba
=1,05.P
d
=1,05.2145 =2252 (W)
2) điện áp sơ cấp máy biến áp
+ U
1
=220 (V)
3) điện áp pha thứ cấp máy biến áp
+
)(159
9,0
143
22
143
2
V

k
U
U
U
d
==

==
4) Dòng điện hiệu dụng máy biến áp
I
2
=k
2
.I
d
=1.15 =15 (A)
( Hệ số dòng thứ cấp máy biến áp k
2
=1)
5) Dòng điện hiệu dụng sơ cấp máy biến áp

21
.IkI
ba
=
=
)(8,1015.
220
159
.

2
1
2
AI
U
U
==
(k
ba
là hệ số máy biến áp )

Trang
21

Đồ án điện tử công suất
** Tính toán mạch từ và dây
Chọn mạch từ ghép từ những lá thép kỹ thuật
330

dây máy biến áp là dây đồng
0,5 mm ,với mật độ từ cảm trong trụ
B
t
=1 T
6) Thiết diện mạch từ

fm
S
kQ
ba

Q
.
.=
+ chọn hệ số máy biến áp với máy biến áp khô
q
k
=6
+ số trụ máy biến áp m =1
+ tần số dòng xoay chiều f=50 (HZ)
+ Q=
)(3,40
50.1
2252
.6
2
cm=
Q = a.b =40,3 (cm ) với cách chọn thông số tối u là
m =h/a =2,5 ; n =c/a =0,7 ;l =b/a =1,5
do đó ta chọn
a=5,2 cm ; b =Q/a=7.75cm ; c= a/2 =3,64 cm
h =2,5.a =13 cm ; H =h +a =18,2 cm
C =2.a+2.c =17,68 cm
7) Số vòng dây sơ cấp máy biến áp

246
1.10.3,40.50.44,4
220
44,4
4
1

1
===

tfe
BQf
U
W
(vòng )

8) Số vòng dây cuộn thứ cấp máy biến áp

178246.
220
159
.
1
1
2
2
=== W
U
U
W
(vòng )
9) Chọn sơ bộ mật độ dòng điện trong dây sơ cấp và thứ cấp là

J
1
=J
2

=2,75 (A/mm
2
)
Trang
22

b
hH
c
C
a c
Hình 1 sơ đồ kết cấu
máy biến áp
Đồ án điện tử công suất
10) +Dây sơ cấp
S
1
=I
1
/J
1
= 10,8/2,75=3,93 (mm
2
)
+đờng kính dây

)(24,2
93,3.4
.4
2

1
1
mm
S
d =

=

=
Chuẩn hoá đờng dây chọn d
1
=2,26 mm
S
1
=4,012 mm
2

Tính lại mật độ dòng điện J
1
=I
1
/S
1
=10,8/4,012 =2,69 (A/mm
2
)
11) Dây thứ cấp
+Tiết diện S
2
=I

2
/J
2
=15/2,75 =5,45 (mm
2
)
+ Đờng kính d
2
=
)(63,2
45,5.4
.4
2
2
mm
S
=

=

Chuẩn hoá lại đờng kính dây lấy d
2
=2,44 mm
Tính lại S
2
=4,676 mm
2
.
Mật độ dòng khi đó J
2

=I
2
/S
2
=15/4,676 =3,2 A/mm
2

12) Cuộn sơ cấp
h =13 cm =130 mm
d
1
=2,24 mm
+ số vòng dây trên một lớp W
1l
=
56
.2
1
1
=

d
dh
(vòng)
+W
1
=246 =4.56 +22
Nh vậy cuộn sơ cấp quấn thành 5 lớp .giữa các lớp có 1 tờ giấy cách điện
mỏng 0,1 mm .Bề dày dây quấn cuộn sơ cấp
e

1
=5.d
1
+6.0,1 =17,2 mm < c
13) Cuộn thứ cấp
d
2
= 2,63 mm
+ Số vòng dây trên một lớp W
2l
=
51
.2
2
2
=

d
dh

+W
2
= 178 =3.51 +23 .Nh vậy ta cũng quấn cuộn thứ cấp thành 4 lớp giữa các
lớp có giấy cách điện 0,1 mm

Bề dày dây quấn thứ cấp
e
2
=4.d
2

+5.0,1 =4.2,63 +0,5 =10,26 mm
suy ra e
1
+e
2
=17,2 +10,26 =27,46 mm < c =36,4 mm
*** Tính điện kháng máy biến áp và góc trùng dẫn
Bd1 =e
1
=17,2 mm =1,72 cm
Bd2 = e
2
=10,26 mm =1,026 cm
a
12
=0,01 cm bề dày cách điện giữa các lớp
w
2
=178 vòng
a = 5 b = 6 suy ra
mmcmba 788,765
2222
==+=+
bán kính trong của ống
quấn dây là
mm39
2
78
=
ống dây cách điện làm bằng vật liệu cách điện 1mm có bán kính trong q

12
=40 mm
Trang
23

Đồ án điện tử công suất
chiều cao sử dụng h
sd
=h= 150 mm

)(062,010.314.
3
03,172,1
01,0.
150
40
.178 8
10
3
8
722
7
21
12
2
2
2
=

+
+=
=






+
+=


w
BdBd
a
h
r
wX
a

Từ đây theo phần phân tích mạch lực trong trùng dẫn ta có góc trùng dẫn
à
đợc xác
định
2

.2
2
)cos(cos
U
IX
dc
=+
à
góc trùng
à
dẫn lớn nhất ứng với
0
=

009,0
159.2
15.062.0.2
.2
2
cos1/
2
maxmax
===
U
IX
dc
àà
991,0009,01cos
max
==

à
suy ra
'0
367max =
à
Lấy
0
8max =
à
III) tính toán bảo vệ van
1) Bảo vệ quá nhiệt cho van bán dẫn
Khi làm việc với dòng điện chạy qua trên van có sụt áp , do đó có tốn hao công
suất p ,tốn hao này sinh ra nhiệt đốt nóng van bán dẫn .
Mặt khác van bán dẫn chỉ đợc phép làm việc dới nhiệt độ cho phép T
cp
nào đó nếu
quá nhiệt độ cho phép thì các van bán dẫn sẽ bị phá hỏng . Để cho van bán dẫn làm
việc an toàn, không bị chọc thủng về nhiệt, ta phải chọn và thiết kế hệ thống toả
nhiệt hợp lý .
+Tính toán cách toả nhiệt
+Tổn thất công suất trên 1 Thyristor
P=U.I=2,7.10,6=28,62(W)
Diện tích bề mặt toả nhiệt:

.
m
m
k
P
S

=
p : tổn hao công suất (W)

:độ chênh lệch so với môi trờng
Chọn T
mt
= 40
0
C
Nhiệt độ làm việc cho phép của T
cp
=125
0
C
Chọn nhiệt độ trên cánh toả nhiệt
T
lv
=80
0
C

=T
lv
-T
mt
=80 40 = 40
0
C
m

k
:Hệ số toả nhiệt bằng đối lu và bức xạ
Chọn
m
k
=8 (w/m
2
.
0
C)

22
8940894,0
40.8
62,28
cmmS
m
===
Chọn loại cánh toả nhiệt có 7 cánh
Kích thớc mỗi cánh a.b=8.8 =64(cm
2
)
Tổng diện tích toả nhiệt của cánh
S=7.2.8.8=896 (cm
2
)
2) Bảo vệ van tránh xung điện áp khi chuyển mạch bán dẫn
Trang
24

Đồ án điện tử công suất

Trong quá trình chuyển mạch van do mạch có những điện cảm lớn nên có xuất hiện
những xung áp lớn tức là
dt
dU
lớn .Tốc độ tăng áp lớn hơn giá trị cực đại thì
thyristor có thể mở mà không cần dòng điều khiển làm cho mất khả năng điều
khiển mở thyristor .Đồng thời khi có sự chuyển mạch các điện tích tích tụ trong các
lớp bán dẫn phóng ra ngoài tạo ra dòng điện ngợc trong khoảng thời gian ngắn ,sự
biến thiên nhanh chóng của dòng điện ngợc ,gây ra sức điện động cảm ứng rất lớn
trong các điện cảm làm cho quá điện áp giữa anod và catod của Tiristor .
Khi có mạch R-C mắc song song với Tiristor tạo ra mạch vòng phóng điện tích
trong quá trình chuyển mạch nên Tiristor không bị quá điện áp .

Với thyristor ta đã chọn và theo kinh nghiệm ta chọn R = 20 (

) và C = 4 (
F
à
)
IV) thiết kế bộ lọc một chiều
Mục đích là để xác định trị số điện cảm lọc cần thiết sao cho thoả mãn hệ số đập
mạch cho trớc đồng thời hiệu chỉnh dể có kích thớc vừa phải
Ta dùng một điện cảm mắc nối tiếp với động cơ .Điện kháng của điện cảm L .
X
d
=w.L càng lớn so với R
d
càng tốt

dmrdmdm
Kmwm
Rd
L
).1(.
.2
2
1

=
R
d
=
)(5,9
15
143
==
d
d
I
U
Cầu một pha có m
dm
=2,w
1
=2.

.f =100.

k
dm
= 0,67
thay vào ta có
)(015.0
67,0).12.(.100.2
5,9.2
2
HL =

=
nh vậy ta cần có một cuộn cảm có trị số điện cảm L=0,015 (H)
Trang
25